Живые часы

15. Таинственные регуляторы времени

Фрэнк А. Браун, профессор биологии Северо-западного университета, занимает позицию, диаметрально противоположную позиции большинства ученых, изучающих биологические ритмы.

После получения степени доктора зоологических наук в Гарвардском университете Браун работал некоторое время в научно-исследовательском биологическом центре на Бермудских островах. Там он впервые непосредственно наблюдал два совершенно удивительных примера биологических ритмов: появление с точной месячной периодичностью стай бермудской креветки и скоплений атлантического светящегося червя. Самым замечательным в этих явлениях была их приуроченность к определенным фазам Луны. Таким образом, сама природа этих ритмов существенно отличалась от суточных или околосуточных ритмов, которые владели мыслями большинства исследователей.

После пребывания на Бермудских островах Браун еще несколько лет занимался изучением эндокринной системы ракообразных, но мысли о загадочности биологических ритмов не оставляли его. В конце концов он целиком переключился на исследование зависимости биологических ритмов от периодических изменений геофизических параметров.

Целью самого первого из поставленных им экспериментов было выявление зависимости ритмов у животных от температуры. Результаты аналогичных исследований Дж. Уэлша из Гарвардского университета и О. Парка из Университета штата Иллинойс вызывали у Брауна большие сомнения. По данным этих исследователей, свойственные организмам (различным ракообразным и насекомым) ритмы сохраняются при переносе животных из естественной внешней среды в условия постоянной температуры.

Браун предложил своей сотруднице М. Уэбб проверить результаты Уэлша и Парка. Животным, которое они избрали для экспериментов, был маленький манящий краб Uca. Тысячи особей этого краба повсюду копошатся на прибрежных отмелях, издавая звук, напоминающий шелест бумаги. В обычных условиях Uca обнаруживает регулярное ритмическое изменение своей окраски. Днем он темнеет, а ночью становится светлым. Степень изменения его окраски можно измерить обычными лабораторными методами.

Браун и Уэбб начали с гипотезы, что крабы должны подчиняться правилу Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры скорость химической реакции непременно увеличивается, а при снижении — замедляется. Если это так, то частота ритмического изменения окраски крабов должна удваиваться, утраиваться и т. д. при повышении температуры на каждые 10 °C или соответственно снижаться при аналогичном снижении температуры.

Исследователи проверяли ритмы большой популяции крабов, выдерживаемых в течение длительного периода времени при 16 °C. Сначала крабов содержали в условиях нормального чередования дня и ночи, а затем — в постоянной темноте. Температура в обоих случаях была одной и той же. Как и следовало ожидать, ритмы в условиях непрерывной темноты сохранялись, но удивляла точность, с которой крабы выдерживали 24-часовой цикл изменения окраски.

«Выбор манящего краба в качестве экспериментального объекта оказался для нас столь же удачным, как для Менделя выбор растений гороха в его экспериментах по изучению механизмов наследственности, — писал Браун. — Ритм этого краба не является циркадным, то есть близким к 24 часам. Он равен 24 часам, то есть имеет строго суточную периодичность».

После этого Браун и Уэбб повысили температуру содержания крабов с 16 до 26 °C. Увеличится ли теперь в соответствии с правилом Вант-Гоффа скорость изменения их окраски? Затаив дыхание, записывали они одно измерение за другим, но никаких изменений в длительности периода обнаружить не смогли. Он точно сохранял свой 24-часовой цикл. Правда, густота окраски крабов с повышением температуры увеличивалась, но ритм оставался прежним. Потом они снизили температуру до 6 °C, но ритм тем не менее сохранил точную 24-часовую периодичность.

Предвидя критические замечания (измерения проводились при слабом освещении), Браун поставил контрольные опыты, которые показали, что ритм изменения окраски крабов при той же температуре в условиях полной темноты абсолютно синхронен с ритмом животных экспериментальной группы.

Поскольку при измерении окраски могли вкрасться отдельные ошибки, Браун и Уэбб статистически обработали полученные данные, но не выявили никаких отклонений от 24-часовой периодичности цикла.

Помимо поразительно точного 24-часового ритма изменения окраски, Браун и Уэбб обнаружили у манящего краба еще один ритм — ритм двигательной активности, но связанный с Луной, а не с Солнцем. Во время отлива крабы спускаются к воде и обследуют отмель в поисках пищи, во время прилива наоборот — поднимаются выше по берегу и отдыхают. За исключением некоторых местных отклонений приливы чередуются в соответствии с лунными сутками, составляющими 24 часа 50 минут, так что манящие крабы живут и по лунным часам.

Сохранят ли крабы этот свой распорядок в постоянных условиях лаборатории? Результаты тщательно контролируемого эксперимента показали, что крабы сохраняют этот ритм и в постоянных условиях.

Ответ на один вопрос немедленно поставил перед исследователем несколько других. Что будет, если какое-нибудь существо, жизнедеятельность которого связана с приливами и, следовательно, с фазами Луны, перенести в другое место, где время приливов (если бы они там происходили) заметно отличается от привычного для него?

Сохранится ли у этого существа такой ритм, которому оно следовало на родном берегу, или он сдвинется во времени?

Поскольку лето Браун обычно проводил в Морской биологической лаборатории Вудс-Холла, он легко мог заполучить любое нужное ему существо, поведение которого зависело бы от ритма приливов. Он выбрал устрицу: ей свойствен четко выраженный приливной ритм, и кроме того, за ней удобно наблюдать, поскольку она не бегает по берегу, как краб.

Результаты этого эксперимента были изложены следующим образом:

И вновь результаты этого эксперимента послужили для Брауна источником новых проблем. Являются ли так называемые постоянные условия, при которых они изучают организмы, действительно постоянными? Если они непостоянны, если на организм воздействует какой-то периодически изменяющийся неизвестный фактор, то какие ритмы возникают при этом?

О природе этого неизвестного пока еще фактора можно было бы сделать по крайней мере несколько предположений. Обратимся к факторам, связанным с окружающей организм средой, то есть к факторам, цикличность изменения которых может определяться периодичностью влияний окружающей среды. К таким очевидным влияниям можно отнести суточные, лунно-приливные, лунные и годовые циклы. Удивительно, что биологическое действие большинства этих циклов никогда подробно не исследовалось. Решение восполнить этот пробел привело Брауна к длиннейшей серии экспериментов, которые заняли у него более десяти лет и были выполнены на одном-единствен-ном организме — картофеле.

Почему Браун выбрал именно картофель? По целому ряду причин. Прежде всего, ему хотелось изучать ритм такого физиологического процесса, который был бы общим для всех живых организмов; не изменение окраски краба или открывание створок устричных раковин, а процесс, свойственный всем животным и растениям. Кроме того, он хотел найти организм, который считался бы неинтересным с точки зрения ритмической активности. Если бы удалось показать, что даже такой организм обладает ритмами, тогда существование аналогичных ритмов в более активных с этой точки зрения организмах было бы несомненно вероятнее. Картофель удовлетворял обоим требованиям.

Одним из показателей физиологической активности картофеля (как, впрочем, и любого другого организма) является уровень обмена веществ. Браун проводил свои эксперименты в условиях постоянной темноты, так что фотосинтез исключался, а обмен ограничивался очень медленным окислением, которое сопровождается поглощением кислорода.

В качестве экспериментального материала он использовал вырезанные из клубня картофеля короткие цилиндрики с одиночным глазком сверху. В темноте из этого глазка развивались бледные болезненные ростки, но, поскольку цилиндрик содержал большой запас питательных веществ, жизнь такого ростка какое-то время поддерживалась даже в герметически закрытом контейнере.

Если Суини измеряла объем кислорода, выделяемого при фотосинтезе, то Браун измерял объем кислорода, поглощаемого при дыхании. И в том и в другом случае дело касалось ничтожно малого количества кислорода. Приходилось вести утомительно долгие наблюдения за еле заметными изменениями показаний очень чувствительных приборов.

Рис. 48. Уровень обмена веществ картофеля, заключенного в герметически закрытые контейнеры, и кривая изменения атмосферного давления в те же дни.

Преодолев все трудности эксперимента, Браун открыл поистине удивительные ритмы. Помимо ожидаемого строго 24-часового ритма обмена веществ, он обнаружил нерегулярные колебания, связанные с изменениями атмосферного давления. Более того, оказалось, что кусочки картофельных клубней могут на два дня опережать показания барометра, даже тогда, когда находятся в герметически закрытых контейнерах!

Чтобы прийти к такому заключению, ему приходилось изо дня в день следить за скоростью обмена веществ у картофеля по объему поглощаемого кислорода, а затем сравнивать изменения в скорости обмена с изменениями атмосферного давления.

Вот как он сам пишет об этом:

«Результаты месячного изучения ритма обмена веществ картофеля представлены на рис. 48. Обратите внимание на то, что картофель изменяет скорость своего обмена веществ обратно пропорционально изменению атмосферного давления (нижняя кривая), но опережая его в среднем на два дня. И действительно, все живые организмы, изучавшиеся в нашей лаборатории в течение последних трех лет, — от морских водорослей до крыс — обнаружили способность предсказывать изменение атмосферного давления обычно на два дня вперед».

Кроме того, Браун установил четкую зависимость между уровнем обмена веществ и временем месяца или года. Измерив скорость обмена веществ у манящего краба, он показал, что суточный ритм животного меняется обратно пропорционально интенсивности падающих на Землю космических лучей.

Поистине удивительные вещи открыл Браун в этой дотоле неизведанной области!

Эксперименты Брауна позволили ему предположить, что на биологические ритмы воздействует какой-то геофизический фактор. Подозрение, естественно, пало на магнитное поле Земли. Брауну удалось показать, что морские улитки Nassarius могут воспринимать изменения даже такого слабого магнитного поля, как магнитное поле Земли. Вот как пишет об этом М. Гокелен, долгие годы изучавший зависимость между космическими и биологическими явлениями.

И хотя Браун ничего не сообщил о влиянии колебаний магнитного поля Земли на временные параметры поведения улиток или какого-либо другого организма, он совершенно четко показал, что улитки чувствуют такие поля. Если это так, то они могут воспринимать действие и каких-то других, пока еще не открытых геофизических факторов.

Рис. 49. Направление пути улитки Nassarius зависит от положения Солнца или Луны. Если увеличить силу магнитного поля, в котором находится улитка, кривизна ее пути увеличивается. Изменение направления ее движения показано стрелками.

Как же узнать об их существовании? И какие эксперименты позволят выяснить природу этих факторов?

Логичнее всего найти среду, в которой влияние таких факторов отсутствовало бы. А что, если, подобно тому как де Мэран изолировал свои чувствительные растения от света, поместив их в темную комнату, изолировать кусочки клубней от факторов, действующих в условиях земного окружения, отправив их на околоземную орбиту или, еще лучше, в далекий космос?

Блестящая мысль! А как же получить тогда информацию о ритмах картофеля, например о ритме его общего обмена? Ведь тогда потребуется респирометр с устройством, посылающим на Землю радиосигналы. Передача радиосигнала не представляет затруднений, а вот с респирометром дело обстоит гораздо хуже. Для исследований в условиях невесомости необходим респирометр, работа которого была бы основана на совершенно новом принципе.

Как Браун оценивает современное состояние проблемы живых часов?

«Прежде всего, — говорит он, — нужно признать, что в последние годы открыто слишком много явлений, чтобы все их можно было объяснить одним только внутренним ритмом.

Вполне возможно, что наступит время, когда мы сможем установить существование автономных временных механизмов, соответствующих некоторым или всем кален-дарно-часовым периодам. И все же время, когда наблюдаемые свойства биологических ритмов можно было объяснить исключительно за счет эндогенных механизмов, определенно миновало. Данные, которыми мы располагаем, приводят нас к выводу, что регуляция солнечно-лунных часов жизни имеет двойственную природу, то есть зависит от регуляторов и внутренних и проникающих извне».

Такую точку зрения разделяют далеко не все современные биологи, и Фрэнк Браун это прекрасно понимает.